在上一集J（威尔·史密斯 Will Smith 饰）重新召回K（汤米·李·琼斯 Tommy Lee Jones 饰）作为搭档之后，时间又过去了许多年，但是外星人鲍里斯（杰梅奈·克莱门特 Jemaine Clement 饰）对地球的觊觎却一直没有停歇。知道机会来临，鲍里斯成功从月球监狱越狱。为了向斩去自己一只手臂的K复仇，他取得了时空机，回到了1969年，干掉了当时还没有太多经验的K（乔什·布洛林 Josh Brolin 饰），因而使得K没能成功设置空间A网以保护地球。第二天一早，J就发现老搭档K人间蒸发了；在诸多麻烦误解之后，J终于了解到了K已经死了四十多年。但无论未来如何发展，K都和地球的命运有着千丝万缕的联系。而且这段时间里，鲍里斯成为了地球最大的威胁，甚至引发了外星人攻击地球。没有A网的保护，地球行将毁灭。而为了阻止鲍里斯的计划，J只有穿越回1969年，去拯救年轻版的K。
　　刻不容缓，时不我待。J的穿越时间只有17小时，否则他将被永远困在1969年。J终于见到了年轻的K，并告知了他许多相关的事实；两人又开始了合作，只不过年龄资历倒了个儿。历经麻烦，他们最终见到了五维空间的高级生命基芬(比尔.哈德尔Bill Hader饰)。这个外星人可不一般，能够预知各种可能的未来。他告诉两位倒霉探员，只有K才能安装A网，而必须有一个人牺牲。他给了他们A网，告知他们要安装A网，“只要”把它射上太空就行了。两位探员大汗。。。
　　没有办法，三人只好去火箭发射平台，赶在阿波罗登月前把A网装在火箭上。在遭遇发射区的军警时，基芬告诉他们“必须说实话”才可以拯救地球。于是。。。军警逮捕了他们，押送到管制区的主管那里问话。这时基芬突然挺身而出，让主管看到了自己的未来，改变了他的心意。于是主管决心帮助他们。这时老鲍里斯和年轻鲍里斯都赶来了，准备把K灭口了事。J奋力打败了老的，丢下了火箭平台，点火之时老鲍里斯痛苦化灰了；K奋力打败了年轻的，而且正如他当年应当做的一样——斩去了他的一只手。A网也成功地安在了火箭上，地球保住了。但是年轻的鲍里斯并没有死；他又杀了出来。J正以为这就是K必定的命运时，管制区主管挺身而出，牺牲了自己救下K；K当机立断把鲍里斯打成了碎渣，但无奈主管却已经死去了。
　　这时，一个黑人小孩James乘着吉普跑了过来，到处问爸爸在哪里，殊不知爸爸已经牺牲了。J一眼就知道了，那正是1969年时童年的自己。K难以向孩子启齿真相，于是消除了他有父亲的记忆。J终于伤心的明白了为什么一直不记得自己的父亲，也明白了为什么总部向他隐瞒这个案件详实资料的原因。
　　回到了2012年，天空还是一样蓝，K还是老搭档。一切都恢复了正常，J颇感欣慰。